Warum sind Physikerinnen und Physiker erfolgreich in vielen Berufen?
Einer der Gründe ist vermutlich, dass sie ganz besondere wissenschaftliche Methoden entwickelt haben, um Probleme zu lösen.
Dieses Methodenbuch hilft Ihnen, einige dieser Methoden zu erlernen und davon im täglichen Leben und Beruf zu profitieren.
Dem Lehr- und Selbstlernbuch gelingt es, Methoden und Konzepte der Physik so aufzubereiten, dass sie auch für andere Wissenschaften leicht erlernbar und anwendbar sind.
Schlüsselkompetenzen werden in verständlichem Text erläutert und in Rezepten zusammengefasst.
Nach einem Kapitel über wissenschaftliche Arbeitsweisen lernen Sie, sich mithilfe der Dimensionsanalyse auch in unbekannten Gebieten zu bewegen. Kapitel zu Überschlagsrechnungen und Modellbildung geben Ihnen Sicherheit bei der Lösung vieler Aufgaben. Sie erfahren, wie Sie das fundamentale Konzept der Erhaltungsgrößen, deren Bilanzen und Ströme anwenden, um Lösungen zu finden, auch zu Fragen im Zusammenhang mit der Energiewende.
Author(s): Christian Hettich; Bernd Jödicke; Jürgen Sum
Publisher: Springer Spektrum
Year: 2023
Language: German
Pages: 326
Vorwort
Inhaltsverzeichnis
Liste der Definitionen (D), Wissen (W) und Rezepte (R)
Wie verwendet man dieses Buch?
Motivation und Überblick
1 Wissenschaftliche Arbeitsweisen
1.1 Gemeinsamer Ausgangspunkt
1.2 Beobachten
1.3 Genauer Beobachten
1.4 Beschreiben / Empirie
1.4.a Korrelationen suchen
1.4.b Empirische Gleichungen finden
1.4.c Wert von Korrelation und Empirie
1.5 Verstehen / Theorie
1.5.a Selbst Nachdenken
1.5.b Recherchieren und Lesen
1.5.c Hypothese – Modell
1.5.d Theorie
1.6 Vorhersagen
1.6.a Empirie-basierte Vorhersagen
1.6.b Theorie-basierte Vorhersagen
1.6.c Hybride Vorhersagen
1.7 Bewusst Herbeiführen / Experiment
1.8 Gedankenexperiment
1.9 Mitteilen und Erzählen
1.9.a Publikation
1.9.b Interner Bericht – Abschlussarbeit
1.9.c Brief an die Chefin
1.9.d Allgemeinverständliche Darstellung
1.9.e Poster
1.9.f Diskurs
2 Physikalische Größen, ihre Dimensionen und ihre Einheiten
2.1 Physikalische Größen
2.1.a Definition von physikalischen Größen
2.1.b Dimension und Größenart
2.1.c Das internationale System der Größen
2.1.d Vektorgrößen und Skalare
2.2. Einheiten
2.2.a Einheiten angeben
2.2.b Das internationale System der Einheiten – SI
2.2c Umrechnen von Einheiten
2.3 Rechnen mit Größen
2.4 Dimensionsanalyse
2.4.a Einfache Dimensionsanalyse und Einheitenanalyse
2.4.b Dimensionsanalyse für Fortgeschrittene
2.4.c Dimensionsanalyse für Experten
3 Mathematik für die Physik
3.1 Anwendbarkeit der Mathematik
3.1.a
Unabhängigkeit der Mathematik von der physikalischen Anwendung
3.1.b
Unterschied Mathematik – Physik
3.1.c
Physik mit Mathematik
3.2 Statistik
3.2.a
Basiskennzahlen
3.2.b
Mittelwert
3.2.c
Varianz
3.2.d
Standardabweichung
3.2.e
Kovarianz
3.2.f
Korrelation
3.2.g
Weitere Anwendungen der Residuensumme
3.2.h
Gauß-Verteilung
3.3
Funktionen
3.3.a
Warum Funktionen in der Physik nützlich sind
3.3.b
Stetigkeit
3.3.c
Grenzwerte und andere besondere Stellen
3.3.d
Ableitung
3.3.e
Integration
3.3.f
Spezielle Funktionen
3.3.g
Differenzialgleichungen
3.3.h
Mehrdimensionale Funktionen
3.3.i
Partielle Ableitung
3.3.j
Totales Differenzial
3.4
Lineare Algebra
3.4.a
Vektoren
3.4.b
Skalarprodukt
3.4.c
Matrizen
3.4.d
Kreuzprodukt
3.4.e
Spezielle Vektoren
3.4.f
Bra-Ket-Schreibweise
4 Rechnen ohne Rechner
4.1
Darstellung von Zahlen
4.2
Grundrechenarten
4.2.a
Addition und Subtraktion von Zahlen
4.2.b
Multiplikation von Zahlen
4.2.c
Division von Zahlen
4.2.d
Vorsicht mit der Null
4.3
Kopfrechnen für Fortgeschrittene
4.3.a
Wurzeln von Zahlen
4.3.b
Winkelfunktionen
4.3.c
e-Funktion und Logarithmus
4.4
Kopfrechnen für Spezialisten
5 Diagramme und Visualisierung von Daten
5.1
Grundregeln Diagramme
5.1.a
Achsenbeschriftung und Skalierung
5.1.b
Originaldaten
5.2
Häufigkeitsverteilung
5.2.a
Einfache Häufigkeitsverteilungen
5.2.b
Histogramm
5.3 x-y-Diagramme
5.3.a
x-y-Diagramme – ein Datensatz
5.3.b
x-y-Diagramme – mehrere Datensätze
5.3.c
Logarithmische Darstellung
5.4
Ausgleichskurven
5.4.a
Grundgedanken zu Ausgleichsfunktionen
5.4.b
Polynome
5.4.c
Andere empirische Funktionen
5.4.d
Theoriebasierte Ausgleichsfunktion
5.4.e
Empirische Funktionen suchen
5.5
Wie liest man Diagramme
6 Symmetrien, Skalierungen, Bezugssysteme
6.1
Symmetrien
6.1.a
Mathematische Beschreibung von Symmetrien
6.1.b
Physikalische Symmetrien
6.1.c
Nutzen von Symmetrien
6.2
Skalierungen
6.2.a
Skalierungsfaktor und Skalierungsexponent
6.2.b
Geometrische Skalierungen
6.2.c
Allgemeine Skalierungen
6.3
Bezugssysteme
7 Modellbildung - nicht nur zur Lösung von Fermiaufgaben
7.1
In vier Schritten zur Lösung
7.1.a Variablen und grafisches Modell
7.1.b Mathematisches Modell: Die Formel
7.1.c Annahmen treffen, Werte schätzen
7.1.d Ausrechnen
7.2
Grundlegendes und Tipps zur Modellbildung
7.2.a Reduktion der Komplexität
7.2.b Rückführen auf Bekanntes
7.3 Prognose oder Szenario?
8 Messungen und Auswertung
8.1
Grundlagen einer Messung
8.1.a
Aufgabe einer Messung
8.1.b
Einzelmessung
8.1.c
Messstrategie
8.1.d
Dokumentation
8.1.e
Messunsicherheiten
8.1.f
Kalibrieren, Eichen, Korrektion und Justierung
8.2 Statistische Analyse von Wiederholungsmessungen
8.2.a
Verteilung der Messwerte – Histogramm
8.2.b
Auswahl der Messwerte
8.2.c Erste Schnellanalyse von Wiederholungsmessungen
8.2.d
Mittelwert und Standardabweichung
8.2.e
Typ-A Unsicherheit des Bestwertes
8.2.f
Addition der Unsicherheiten
8.2.g
Darstellung eines Messergebnisses
8.3
Kombinierte Unsicherheiten
8.3.a
Aufstellen eines mathematischen Modells
8.3.b
Bestwert bei einer indirekten Messung
8.3.c
Kombination von Unsicherheiten (Fortpflanzung)
8.3.d
Vereinfachungen
8.4
Zusammenfassung zum Auswerten von Messungen
8.5 Analyse und Optimierung von Experimenten
8.6
Andere Unsicherheiten
9 Erhaltungsgrößen und Bilanzen
9.1
System
9.2
Mengenartige Größen
9.2.a
Mengenartige Größen finden
9.2.b
Erhaltungsgrößen
9.2.c
Dichte einer mengenartigen Größe G
9.2.d
Erhaltungsgrößen aus dem Nichts?
9.3
Ströme und Zustandsänderung
9.3.a
Das Stromkonzept
9.3.b
Strom von Erhaltungsgrößen
9.3.c
Umdrehen der Bilanzrichtung
9.3.d
Mehrere Austauschkanäle zwischen zwei Systemen
9.3.e
Bilanzgleichung eines Systems
9.3.f
Zwischenstand Bilanzgleichung und deren Einsatzgebiet
9.3.g
Welche Mechanismen von Strömen gibt es? Stromarten
9.3.h
Beschreibung von Stromwegen
9.3.i
Stromdichten
9.4
Mengenartige Ströme und Energie
9.4.a
Energieform
9.4.b
Intensive Größe finden
9.4.c
Reservoir
9.4.d
Stromrichtung einer freien Strömung
9.5
Steckbriefe mengenartiger Größen
10 Spezielle mengenartige Größen und Ströme
10.1
Masse
10.2
Volumen
10.3
Elektrische Ladung
10.4
Impuls
10.4.a
Was ist Impuls?
10.4.b Impulserhaltung, die zentrale Rolle von Impuls in der Physik
10.4.c
Einfache Anwendungen der Impulserhaltung
10.4.d Mathematische Notation des Impulsstroms — nur ein Ausblick
10.5
Drehimpuls
10.5.a
Was ist Drehimpuls
10.5.b
Drehimpulsströme und Drehimpulsänderung
10.6 Stoffmenge und Teilchenzahl
10.7
Entropie
10.7.a
Was ist Entropie?
10.7.b
Entropie erzeugen
10.7.c
Entropie und Zeit
10.7.d
Entropie und Wahrscheinlichkeit
10.7.e
Prozesse mit Entropieerzeugung
10.7.f
Entropiebilanz
10.8
Energie
10.9 Übersicht der Erhaltungsgrößen:
Energie, elektrische Ladung, Impuls, Drehimpuls
11 Energie
11.1
Energie Vokabeln
11.1.a
Energie eines Systems
11.1.b
Energie und Arbeit
11.1.c Energiedichte
11.1.d
Energiestromstärke
11.1.e
Energiestromdichte
11.1.f
Energiespeicher
11.1.g
Energieträger
11.1.h
Energiequellen
11.2
Energieversorgung der Erde
11.2.a
Sonnenenergie
11.2.b
Energie aus dem Erdinnern
11.2.c
Rotationsenergie Erde
11.3
Energieaustausch zwischen 2 Systemen
11.3.a
Energieformen
11.3.b
Übertragung durch ideale Leitungen
11.3.c
Energetisches Gleichgewicht
11.3.d
Erreichen des Gleichgewichts – der Weg dahin
11.3.e
Energieverbrauch
11.3.f
Umsetzer, Maschinen, Lebewesen
11.3.g
Qualitätsmaß für Energieumsetzer
11.3.h
Energetische Analyse von Anlagen
11.4
Gibbssche Fundamentalform
12 Besserwissen
12.1 Kinematik - Bewegung des Massepunktes
und warum sie in Physikbüchern am Anfang steht
12.1.a
Beschreibung von Punkten im Raum
12.1.b
Bewegung von Punkten im Raum
12.1.c
Geradlinige Bewegung
12.1.d
Kreisbewegung
12.1.e
Harmonische Schwingung
12.1.f
Kinematik auf einen Blick
12.2 Wie man mit Impuls die Welt beschreibt.
Eine besondere Sicht auf Bewegungen.
12.2.a
Was ist bereits über Impuls bekannt?
12.2.b
Was geschieht, wenn einem System Impuls übertragen wird?
12.2.c
Muss ich warten, bis mich jemand anschiebt? Impulstrennung
12.2.d
Impulspumpe
12.2.e
Wo kommt der Impuls her und wo geht er hin?
12.2.f
Impulsübertrag durch Felder / Gravitation
12.2.g
Freier Fall und Schwerelosigkeit
12.2.h
Impulsübertrag durch direkten Kontakt
12.2.i
Impulsleitung (konduktiver Impulsübertrag)
12.2.j
Impulstransport durch Konvektion
12.2.k
Ziehen einer Kiste
12.2.l
Wie misst man eine Impulsstromstärke?
12.3
Energieerhaltungssatz in der Punktmechanik
12.3.a
Energiebilanz zwischen Zuständen
12.3.b
Energiebilanz eines energetisch isolierten Systems
12.3.c
Energiebilanz eines energetisch offenen Systems
12.4
Warum fliegt ein Flugzeug?
12.4.a
Beobachtung: Ein Flugzeug fliegt.
12.4.b
Recherche: Warum fliegt ein Flugzeug?
12.4.c
Nachhaken: Stimmt das?
12.4.d
Andere Erklärung, Verbesserung der Theorie
12.4.e
Warum sind Flugzeugflügel gewölbt?
12.4.f
Fazit Flugzeugbetrachtung
12.5
Gedanken zu Einheiten und Dimensionen
12.5.a
Sind Größen mit eigenen Einheiten wichtiger als andere?
12.5.b
Ist ein Mol eine gewisse Anzahl an Teilchen?
A Tabellen
B Literatur
